電子束的電偏轉和磁偏轉設計研究

專業(yè)資料專業(yè)資料電子束的電偏轉和磁偏轉爭論示波器中用來顯示電信號波形的示波管和電視機、攝像機顯示圖像的顯像管、攝像管屬于電子束線管，雖然它們的型號和構造完全一樣，但有產生電子束的系統(tǒng)和電子加速系統(tǒng)，為使電子束在熒光屏上清楚的成像，還要設聚焦、偏轉和強掌握系統(tǒng)。。前者稱為電聚焦或電偏轉。隨著科技的進展，用靜電場或恒磁場使電子束偏轉、聚焦【試驗目的】解示波管的構造和工作原，爭論靜電場對電子的加速作用。定分析電子束在橫向勻強電場作用下的偏轉狀況。爭論電子束在橫向磁場作用下的運動和偏轉狀況?！驹囼炘啃⌒碗娮邮静ü艿臉嬙?所示。包括下面幾個局部：電子槍偏轉系統(tǒng)電子槍偏轉系統(tǒng)FHKYXHFGGA1AY2關心聚焦R2X1 2V2調輝R1聚焦R3圖1 示波管構造圖F-燈絲 K-陰極 GG-掌握柵極 A-第一陽極A-其次陽極 Y-1 2 1 2豎直偏轉板 X-水平偏轉板電子槍，它的作用是放射電子，把它加速到肯定速并聚成一細束；Y軸偏轉板(或稱垂直偏轉板)，X軸偏轉板(或稱水平偏轉板)；熒光屏，用以顯示電子束打在示波管端面的位置。以上這幾局部密封在一只玻璃殼之中。玻璃殼內抽成高真空，以免電子穿越整個管長時與氣體分子發(fā)生碰撞，故管內的剩余氣壓超過106大氣壓。2所示。電子源是陰極，圖中用字母K表示。它是一只屬圓柱筒，面裝有加熱用的燈絲，兩者之間用陶瓷套管絕緣。當燈絲通電時可把陰極加熱G1

K大約-5～-20勢可以轉變穿過G1

上小孔出去的電子數目，從而可以掌握電子束的強。電極G2

A聯2在一起，兩者相對于K有約幾百伏到幾千伏的正電壓。它產生一個很強的電場使電子A2

KV2

A對1K的電壓V1

則與V2

同。由于 K與A、A與A1 1

之間電勢相等，因此使電子束在電極筒內的縱向速和橫向速發(fā)生轉變，適當地調整 V和V1 2

的電壓比，可使電子束聚于V和V1

的大小與比。電子束從圖1中兩對偏轉電極間穿過。每一對電極加上的電壓產生的橫向電場分別X方向或Y方向發(fā)生偏轉。圖圖2 電子槍內部構造3電子束的電偏轉電子束的加速和電偏轉原在示波管中，電子從被加熱的陰極出后，由于受到陽極電場的加速作用，使電子獲得沿示波管軸向的動能。為以下爭論問題方起見，先引入一個直角坐標，Z軸沿示波管的管軸方向從燈絲位置指向熒光屏，從熒光屏看，XY軸為垂直方向向上。假定電子從陰極出時初速忽計，則由功能原可知，電子經過電勢差為V的空間，電場做的功eV應等于電子獲得的動能：1eV2mvZ2 (1)明顯，電子軸向速v與陽極加速電壓V的平方根成正比。由于示波管有兩個陽極zAA1

，所以實際上示波管中電子束最終的軸向速由第2A2

的電壓V2

1eV mv======

或 v

2eV ∏Β→22 Z m 2(2)假設在電子運動的垂直方向加一個橫向電場，電子將在該電場作用下發(fā)生橫向偏轉。3偏轉板長 l偏轉板末端至屏距離為L偏轉電極間距離為d軸向加速電壓為V ，2橫向偏轉電壓Vd

，則依據電學和學的有關推導，可以推導出熒光屏上斑的橫向偏轉D與其它的關系為：

L”Ll)2

(3)在實際的示波管中，偏轉電極并非一對平板，而是呈叭口外形，這是為擴大偏轉板的邊緣效應，增大偏轉板的有效長。式3說明，當V變時電子束的偏轉 D隨偏轉電壓V 成正比，D~V 的這一關2 d d系可以通過試驗驗證。V2V2的式2我們可知電子束沿Z方向的速 v Z

Z方向運動的速越大則表示越低。事實上，式3中電子束的偏轉 D1V2的關系已說明此關系。本試驗中改變加速電壓V2

〔為于比照，在可能的范圍內盡可能把 V2

分別調至最大或最小，適當調整V1

到最正確聚焦，可以測定D~Vd

直線隨V2

轉變而使斜轉變的狀況。電子束的磁偏轉原電子束運動遇外加橫向磁場時在侖茲作用下要發(fā)生偏轉。如圖 4所示，設實線方框內有均強磁場，磁感強 B的方向與紙面垂直指向讀者，方框外磁場為。44電子束的磁偏轉5偏轉磁場的設置m電子以速 V 垂直進入磁場B中,受侖茲 F 作用，在磁場區(qū)域內作勻速圓周mz運動，半徑為R。電子沿?。粒么┏龃艌鰠^(qū)后沿Ｃ點的線方向作勻速直線運動， 最終打在熒光屏的P點。設電子進入磁場之前，使其加速的電壓為V2

，加速電場對電子所作之功等于電子動能的增，有

eV 2

12mv22Z

〔4〕式中e為電子的電； m為電子的質。該式忽電子離開陰極 K時的初動能。電子以速 vZ

垂直進入磁場B后，其所受的侖茲 Fm的大小為據牛頓運動定，有

F evm Z

B (5)v2evBm ZZ R

(6)所以設偏轉角較小，近似地有

mvR Z (7)eBtg＝l D

(8)R L式中l(wèi)為磁場寬； D為電子在熒光屏上斑的偏轉 光屏的微小彎曲 )；L為從橫向磁場中心至熒光屏的距離。據式(7)和式(8)可得將(9)式代入式(4)，整后可得

elBLv (9)Z mDe2mV2De2mV2

(10)試驗中的橫向磁場由一對載線圈產生，接線圖如圖5所示其磁感強 B的大小為BK0nI (11)式中0為真空中的磁導； n為單位長線圈的匝數； I為線圈中的電。 K為線圈產生磁場公式的修正系數，0＜K≤1。將式(11)代入式(10)可得DK

nIlL0

(12)e2mV2Kn、lL均為常。上式說明，當加速電壓e2mV22定時，電子束在橫向磁場中的偏轉D與線圈中的電IBK0nI肯定時，電子束在橫向磁場中偏轉D與加速電壓V的平方根成反比。2產生磁場的單位電所引起的電子束的磁偏轉稱為磁偏轉靈敏，以 Sm表示S DKm I

nlL (13)e2e2mV2Sm越大表示磁偏轉系統(tǒng)的靈敏越高。在國際單位制中，磁偏轉靈敏的單位為米／安培，記為mA1。這兩種偏轉有如下差異：1、受特征在磁偏轉中，質為m，電荷為q的子以速垂直射入磁感應強為的勻強磁場中，所受磁場(即倫茲)。使子的速方向發(fā)生變化，而速方向的變化反過來又使的方向變化，是變。在電偏轉中，質為m，電荷為q的子以速垂直射人電場強為的勻強電場中，所受電場。與子的速無關，是恒。2、運動規(guī)(周期)、空(半徑)兩個方面給出。直于電場方向和平于電場方向給出3、偏轉狀況磁偏轉中子的運動方向所能偏轉的角受限制， 且在相等時間內偏轉的角總是相等。電偏轉中子的運動方向所能偏轉的角， 且在相等的時間內偏轉的角是相等的。4、動能變化在磁偏轉中，由于始終與子的運動方向垂直，所以，子動能的大小保持變。在電偏轉中，由于與子運動方向之間的夾角越來越小，子的動能將斷增大， 且增大得越來越快。【試驗儀器】LB-EB4型電子束試驗儀，該儀器是一臺多功能的試驗儀器，可以做電子束和示波器的原等多項試驗，儀器的面板布置如以下圖所示：在儀器面板右邊中部有一個儀器的“功能轉換按鈕，調至“電子束位置可做本實驗在儀器面板的左邊是電子槍掌握電， 調整有關的旋鈕可轉變電子束的聚焦和輝情況；在儀器面板的右下方，有Y信號放大-衰減系統(tǒng)、X信號放大-衰減系統(tǒng)和鋸齒波發(fā)生器系統(tǒng)?！驹囼瀮热荨侩娮邮碾娖D局部：用儀器的專用接線在儀器面板左上角處上分別連“6.3V “燈絲“柵極“VG

“陰極 “VK

“聚〔V1

〕“V1

〔V2

〕“V2相互間的對應插孔。調整“VK

和“ V1

旋鈕，使熒光屏上消滅一聚焦點。調整柵壓“ V 旋G鈕，使點的適中。留意，點能過，以免燒壞熒光屏熒光物質。K把“數顯高壓表的“ -表筆放在陰極〔 VK

〕插孔“+表筆放在“ V插22孔，測其次陽極相對于陰極的電壓 V2

。調整VK

電位器旋鈕，盡可能使V電21壓提高，同時適當轉變V值填入試驗記錄各表中。1

旋鈕，保持光點聚焦，測出加速電壓V2

。將V的測2把儀器的“功能轉換按鈕按出，使儀器工作在“電子束試驗的狀態(tài)。把儀器“偏轉系統(tǒng)的一對“ X偏轉板和一對“ Y偏轉板分別與“ VX 、“V和“ V “V用專用導線相連。X Y Y用數顯高壓表測“ Y偏轉板兩極間的電壓，漸漸調整“ VY

調整的旋鈕，觀看“Y偏轉板 兩極間的電壓和屏幕上光點在Y方向移動的狀況光點在Y方向每轉變1〔即5mm〕記錄一下偏轉電壓Vd

D～Vd

數據，并將數據填入表中。表1 Y方向電子束的電偏轉電壓偏轉 /mm加速電壓/V

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20V (max)2V (min)2再把光點移到熒屏中間，用數顯高壓表測“ X偏轉板兩極間的電壓，漸漸X

調整的旋鈕，觀看“X偏轉板 兩極間的電壓和屏幕上光點在X方向移動的狀況。光點在Y方向每轉變1小格〔即5mm〕記錄一下偏轉電壓V 的d數值，測出一組D～Vd

數據，并將數據填入表中。轉變加速電壓V2

到最小值四周，并相應調整聚焦電壓V1

，使熒光屏上點再次聚焦。重復步驟6和步驟7，再測二組D～Vd

值。并將數值填入表中。偏轉 /mm加速電壓/VV2 (max)

表2 X方向電子束的電偏轉電壓-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20V (min)2在同一坐標紙上，以Vd

D為縱坐標，分別畫出Y偏轉和X偏轉的4D～Vd

直線，并進比較。 (留意：在一般狀況下，這4根直線會經過直角坐標系的原點。)比較以上4條直線的斜，爭論各同狀況下的偏轉靈敏。電子束的磁偏轉局部：2 先將加速電壓V調到最大值四周〔須保持光點聚焦，記錄加速電壓V2 再將外接的穩(wěn)壓電源和示波管旁的“外供磁場電源用導線相連，穩(wěn)壓電源的電壓先調至0Ｖ，此時熒光屏上點在中線，可調整 Y軸偏轉電壓，使點回到中線。當線圈通有電后，橫向磁場產生點在熒光屏上由原來的中心原點向上 (或向下)偏移。逐步加大穩(wěn)壓電源電壓，使電增大，從而使點向上 (或向下)偏移1小格(5mm)，登記穩(wěn)壓電源電表上的電 I，連續(xù)調整電壓，使點再向上(或向下)偏移1小格，再登記電 I…將各數據填入表3中。再將加速電壓V調到最小值四周〔須保持光點聚焦，記錄加速電壓V的值。2 2重復步驟33中。以勵磁電 I (平均值)為橫坐標，偏轉 D為縱坐標，在坐標紙上作D~I關系曲線?？梢钥吹紻~I關系是一條直線，并分別求出兩直線的斜 S 。m3偏轉 /mm加速電壓/V

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20V (max)2V (min)2依據磁偏轉 D與I的關系圖,用圖解法測得磁偏轉靈敏V (max)時：S = m/A2 mV (min)時：S = m/A2 m【留意事項】調整柵壓“VG

旋鈕時，應使適